某物流公司輸送管道安全閥接管根部斷裂事故原因分析

周曉斌，王家文

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院泰州分院，江蘇 泰州 225530）

2016年11月25 日，某物流公司冷凍丙烷卸船過程中，發(fā)生管道泄漏起火，大火整整燃燒了18個小時，引起省市縣的高度關(guān)注。經(jīng)查明，發(fā)生泄漏處為主管與安全閥根部接管的焊縫熱影響區(qū)發(fā)生斷裂。現(xiàn)將事故原因分析如下。

事故管道建于2015年，設(shè)計溫度50℃，設(shè)計壓力為2.16MPa,運(yùn)送介質(zhì)丙烯。罐區(qū)主管道φ219×8，在臨近罐區(qū)直管段上焊有1根φ57×4的安全閥接管，相鄰安全閥出口接至一根匯總管，同一位置匯總管上還有四根安全閥出口管，匯總管與兩根支柱相焊接，固定于地面（見下頁照片）。發(fā)生事故時由運(yùn)輸船向岸上輸送的冷凍丙烷（冷凍丙烷運(yùn)輸船的運(yùn)輸丙烷時的介質(zhì)溫度一般為-42℃）。操作記錄顯示，介質(zhì)操作壓力0.62MPa，船用裝卸臂下游就地溫度計顯示溫度曾達(dá)到-18℃以下。

圖1 事故管道走向簡圖

圖2 管道損壞照片

1 模型簡化

假設(shè)安全閥根部接管向上均為剛性連接，φ219×8主管道有段向下（進(jìn)入地下）為固定端。

圖3 溫度應(yīng)力與變形公式

2 計算

（1）α1=12.78×10-6/℃；（2）E=192000MPa；（3）△T=20-(-18)=38℃；（4）管長L=78000mm（斷口東側(cè)至埋地段）；溫差應(yīng)力σT=α1×E×△T=93.24MPa；φ219×8管 道 截 面 積 A=3.14×(219-8)/1000×0.008=0.0053m2；拉力F=σT×A=494201(N)；安全閥頂部到根部的力矩為M=F×0.9=444780(N.M)

2.1 管道收縮變形長度計算

△LT=α1×△T×L=12.78×10-6/℃×38×78000=37.9mm,（實(shí)際測量由東側(cè)埋地端向西第4根支座處)收縮量約為32mm)，安全閥下部接管隨著主管道位移，安全閥出口接管連接安全閥排放匯總管上，匯總管焊接在固定支撐上，導(dǎo)致安全閥下部接管與主管道之間產(chǎn)生了巨大的拉應(yīng)力。

圖4 主管道收縮

圖5 固定支撐被拉伸變形

2.2 安全閥下部接管根部與總管（φ219×8）局部的正應(yīng)力理論計算

式中，WZ=314×0.0573/32×(1-(49/57)4)=8.23×10-6m3；支管角焊縫處正應(yīng)力σmzx=M/WZ；σmzx1=M/WZ=444780/8.23×10-6=54043×106MPa(拉伸)；遠(yuǎn)大于鋼管標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度(20G的標(biāo)準(zhǔn)Rm=410MPa,Rp0.2=245MPa；σmzx1=-M/WZ=444780/8.23×10-6=-54043×106MPa( 壓縮 )；考慮到約束有變形協(xié)調(diào),應(yīng)力水平較小,數(shù)據(jù)實(shí)際可能較小。

圖6 安全閥排放匯總管位移脫離原位

圖7 安全閥排放匯總管與 支撐部位拉脫

圖8 應(yīng)力計算公式

2.3 安全閥下部接管根部與總管（φ219×8）局部的拉伸應(yīng)力模擬分析（見下圖應(yīng)力約15847MPa）

圖9 局部應(yīng)力模擬分析

3 斷口分析

斷口位于熱影響區(qū)，沒有明顯的伸長或彎曲，無縮頸，破裂時沒有直徑的變化及壁厚的減薄。屬于明顯脆斷。

圖10 斷口位置

圖11 斷口宏觀照片

4 低溫原因

低溫丙烷進(jìn)入管道。（碼頭操作記錄顯示16:40發(fā)現(xiàn)溫度從-18℃繼續(xù)下降）罐區(qū)監(jiān)控顯示，罐內(nèi)液位16～17點(diǎn)之間上升4.2%（說明原料進(jìn)入球罐）。

5 材料使用溫度限制

GB/20801.2《壓力管道規(guī)范++工業(yè)管道+第2部分：材料》中要求：使用溫度不得低于-20℃。

6 斷口分析

圖12 斷口宏觀及金相照片

7 結(jié)語

綜上所述，冷凍丙烷進(jìn)入管道，使主管道（φ219×8）降溫后產(chǎn)生收縮，由于安全閥放空匯總管與支撐立柱、其余的安全閥排放管（與斷口處安全閥接管平行的還有四根安全閥排放管）形成剛性約束，導(dǎo)致在安全閥下部（φ57×4）接管與（φ219×8）主管道焊接角焊縫產(chǎn)生巨大拉應(yīng)力；過大的主管道應(yīng)力使安全閥匯總管發(fā)生位移，支撐立柱發(fā)生彎曲，立柱與匯總管焊接點(diǎn)斷裂。同時由于冷凍丙烷進(jìn)入，使管道進(jìn)入低溫工作狀態(tài)，在內(nèi)應(yīng)力、低溫共同作用下，安全閥接管根部發(fā)生低溫脆斷導(dǎo)致泄漏。